响应曲面法优化DBD 协同纳米TiO2 催化降解染料印染废水研究

武成斐

（山西省长治市县域生态环境监测站，山西 长治 046300）

0 引言

纺织印染是我国耗水及废水排放的高污染行业，80%纺织工业废水为印染行业产生的废水，约占10%工业废水排放量。表面活性剂等有机物进入印染废水，使其处理难度日益加大，常规水处理方法难以达标排放[1-2]。在节能减排的背景下，国家对印染污水的治理力度大大加强，使得印染行业面临巨大压力，因此目前印染行业亟须解决的问题是通过开发新型高效水处理技术来实现废水达标排放[3-4]。本文以山西省长治市某纺织印染公司排放的活性黄3RS 印染废水为研究对象，设计介质阻挡放电（DBD）技术协同纳米TiO2光催化技术对该印染废水进行深度处理的实验研究。

1 实验材料与方法

1.1 仪器与试剂

主要仪器：Spectrumlab S22PC 分光光度计；B15-3 型智能磁力加热搅拌器；SH2601 精密酸度计；125W 自整流萤光高压汞灯。

主要药品：印染废水水样，取自省长治市某纺织印染公司生化池，CODCr为550 mg/L；纳米TiO2自制：水配比为2，乙酸配比为3.42，煅烧温度为577.55 ℃，煅烧时间为3.25 h。

1.2 实验方法

称取一定量的以最佳条件制备的纳米TiO2粉体加入含10 mL 印染废水的反应釜。接通电源后调节输入功率，使平板电极开始放电。改变纳米TiO2粉体投加量、输入功率、染液初始浓度、初始pH 和初始电导率，在染液中添加一定浓度的无机阴离子、表面活性剂，考察其对印染废水脱色效果的影响，并考察体系对不同染料的降解效果。

测定降解过程中COD 值，利用UV-Vis、IR、IC 等分析手段，初步揭示活性黄3RS 的降解机制。通过电压-电荷李萨如图形（放电功率）的测定，考察介质阻挡放电等离子体体系（有或无TiO2催化剂）的电学特性以及降解活性黄3RS 印染废水的能量效率。

采用响应曲面法的中心复合设计对纳米TiO2粉体制备以及印染废水的处理工艺进行优化。介质阻挡放电体系引入纳米TiO2，以充分利用放电体系的紫外光，考察了添加印染废水中常见无机离子及表面活性剂对染液脱色效果的影响，以及该体系对不同印染废水脱色及纳米TiO2重复利用率的影响[5]；介质阻挡放电等离子体技术协同催化技术降解活性黄3RS 印染废水，研究反应体系中印染废水的降解机制及能量利用效率。

2 结果与分析

2.1 单因素对活性黄3RS 的影响

输入功率、初始pH、初始电导率、无机阴离子对活性黄3RS 的影响如图1 所示。

图1 输入功率、初始pH、初始电导率、无机阴离子对活性黄3RS 的影响

由图1 可知，纳米TiO2粉体单独吸附活性黄3RS染料时，吸附作用不明显，且无降解作用；介质阻挡放电等离子体处理活性黄3RS 染液时，投加纳米TiO2粉体的脱色率均大于未投加催化剂时的脱色率，纳米TiO2投加量为0.9 g/L 时，脱色率最高，脱色反应对不同浓度TiO2投加量下均符合一级反应动力学方程，添加TiO2催化剂后，反应速率常数增加；在相同输入功率条件下，添加TiO2催化剂时比未添加时的染料脱色率大，在添加相同浓度TiO2催化剂条件下，增大反应输入功率，染料脱色率增大；染液的初始pH 和电导率均对脱色率有影响，低pH 或低电导率有利于染料的脱色；染液中加入CO32-对染料的脱色效果具有一定的抑制作用，SO42-与NO3-不影响染料的脱色效果，而少量Cl-的加入有利于促进活性黄3RS 的脱色效果。从图2 可知，随着初始浓度的增加，染料脱色率呈下降趋势，但随着染液初始浓度的增加，染料的绝对去除量升高。

图2 初始质量浓度对活性黄3RS 的影响

从图3 可知，未添加表面活性剂的活性黄3RS染液的脱色率明显大于添加表面活性剂的，且随着表面活性剂浓度的不断增加，抑制作用增强；但当表面活性剂浓度超过临界胶束浓度时，对印染废水脱色的抑制作用有所减缓。

图3 表面活性剂对活性黄3RS 的影响

2.2 响应曲面法优化活性黄3RS 印染废水处理工艺

图4-1 显示在固定初始pH=4.5 和初始电导率750 μS/cm 时输入功率和纳米TiO2投加量对活性黄3RS 脱色效果的影响，可以看出，高输入功率的介质阻挡放电等离子催化体系处理活性黄3RS 脱色率高。

图4-2 显示固定输入功率85 W、初始电导率750 μS/cm 条件下初始pH 和纳米TiO2投加量对活性黄3RS 脱色率的影响，可以看出较低的初始pH 的活性黄3RS 染液的脱色率高。

图4-3 显示固定输入功率85W、初始pH=4.5 条件下初始电导率与纳米TiO2投加量对活性黄3RS 脱色率的影响，可以看出随着TiO2投加量的增加活性黄3RS 脱色率增加，但在纳米TiO2投加量超过0.85 g/L后，活性黄3RS 脱色率有所降低。

图4-4 反映了固定纳米TiO2投加量0.9 g/L、初始电导率750 μS/cm 时输入功率和初始pH 对活性黄3RS 脱色率的影响，可以看出输入功率的影响很大曲面较陡，随着输入功率的增大，活性黄3RS 脱色率不断增加。

图4-5 反映了固定纳米TiO2投加量0.9 g/L、初始pH=4.5 时输入功率和初始电导率对活性黄3RS脱色率的影响，可以看出输入功率的影响强烈，而初始电导率对脱色效果影响相对较小。

图4-6 反映了纳米TiO2投加量0.9 g/L、输入功率85W 时初始pH 和初始电导率对活性黄3RS 脱色率的影响，可以看出在低初始pH 和低初始电导率时活性黄3RS 脱色效果好。

图4 各因素对活性黄3RS 脱色率影响的响应面

3 结论

纳米TiO2粉体单独吸附活性黄3RS 染料时，吸附作用不明显，且无降解作用；介质阳挡放电等离子体处理活性黄3RS 染液时，投加纳米TiO2粉体的脱色率均大于未投加催化剂时的脱色率；纳米TiO2投加量为0.9 g/L 时，脱色率最高；脱色反应对不同浓度TiO2，投加量下均符合一级反应动力学方程，添加TiO2催化剂后，反应速率常数增加；在相同输入功率条件下，添加TiO2催化剂时比未添加时的染料脱色率大，在添加相同浓度TiO2催化剂条件下,增大反应输入功率，染料脱色率增大；随着初始浓度的增加，染料脱色率呈下降趋势,但随着染液初始浓度增加，染料的绝对去除量升高；染液的初始pH 和电导率均对脱色率有影响，低pH 或低电导率有利于染料的脱色；染液中加入CO32-对染料的脱色效果具有一定的抑制作用，SO42-与NO3-不影响染料的脱色效果，而少量Cl-的加入有利于促进活性黄3RS 的脱色效果；未添加表面活性剂的活性黄3RS 染液的脱色率明显大于添加表面活性剂的，随着表面活性剂浓度不断增加，抑制作用增强；但当表面活性剂浓度超过临界胶束浓度时，对印染废水脱色的抑制作用有所减缓。中心复合设计实验表明，TiO2投加量、输入功率、初始pH 和初始电导率4 个因素对印染废水脱色效果影响主次排序均为：输入功率>初始电导率>初始pH>TiO2投加量，拟合方程得活性黄3RS 印染废水脱色的最佳工艺条件为：纳米TiO2投加量0.85 g/L、输入功率100 W、初始pH=3.16、初始电导率500 μS/cm，在此条件下活性黄3RS 脱色率实测值为90.19%。